Availability of metal ions and ZnO nanoparticles in aqueous media

Abstract

La presència de determinats metalls, ja sigui en forma del metall lliure, formant complexos amb lligands o en forma de nanopartícules metàl•liques té efectes negatius en el medi ambient. Per aquest motiu, l’estudi de la disponibilitat de metalls és important per determinar el seu impacte mediambiental. En aquest treball s'ha estudiat un sistema i una tècnica per a la mesura de la disponibilitat. El sistema té la particularitat de contenir, en dispersió, nanopartícules d’òxids metàl•lics. Una primera part de l’estudi s’enfoca a la caracterització físic-química de dispersions sintètiques de nanopartícules. Aquesta part estudia l’efecte que tenen les condicions del medi (pH, salinitat, contingut de matèria orgànica, etc.) en el comportament de les nanopartícules. S'han determinat processos com són l’agregació, solubilització i sedimentació, en funció de les condicions del medi. Tots aquests processos juguen un paper molt important en el destí de les nanopartícules en el medi ambient i en la seva toxicitat. La segona part d’aquesta tesi es centra en l’aplicació de la tècnica analítica DGT (Diffusive Gradient in Thin films) per la mesura de fluxos de metall disponibles en solucions aquoses. En el present treball, s’ha determinat la solubilitat de nanopartícules en dispersions aquoses. Per altra banda s'ha estudiat la tècnica DGT des d’un punt de vista físic-químic. Les contribucions dels fluxos de complexos s’avaluen amb un paràmetre que té en compte les constants de dissociació dels complexos així com la seva difusió. S'han estudiat les acumulacions de metalls que en solució tenen com especies dominants complexos carregats elèctricament. Si aquesta càrrega és negativa, l’acumulació disminueix en baixar la força iònica i a l’inrevés en el cas contrari. Aquest fenomen s’explica per la repulsió electrostàtica entre la càrrega negativa del disc de resina i el complex quan aquest és parcialment làbil. En conclusió, la resina sembla jugar un paper més actiu del que es pensava en l’acumulació de metalls en DGT.

La presencia de determinados metales, ya sea en forma del metal libre, formando complejos con ligandos o en forma de nanopartículas metálicas tiene efectos negativos en el medio ambiente. Por este motivo, el estudio de la disponibilidad de metales es importante para determinar su impacto medioambiental. En este trabajo se ha estudiado un sistema y una técnica para la medida de la disponibilidad. El sistema tiene la particularidad de contener, en dispersión, nanopartículas de óxidos metálicos. Una primera parte del estudio se enfoca a la caracterización físico-química de dispersiones sintéticas de nanopartículas. Esta parte estudia el efecto que tienen las condiciones del medio (pH, salinidad, contenido de materia orgánica, etc) en el comportamiento de las nanopartículas. Se han determinado procesos como son la agregación, solubilidad y sedimentación, en función de las condiciones del medio. Todos estos procesos juegan un papel muy importante en el destino de las nanopartículas en el medio ambiente y en su toxicidad. La segunda parte de esta tesis se centra en la aplicación de la técnica analítica DGT (Diffusive Gradiente in Thin films) para la medida de flujos de metal disponibles en soluciones acuosas. En el presente trabajo, se ha determinado la solubilidad de nanopartículas en dispersiones acuosas. Por otra parte se ha estudiado la técnica DGT desde un punto de vista físico-químico. Las contribuciones de los flujos de complejos se evalúan con un parámetro que tiene en cuenta las constantes de disociación de los complejos así como su difusión. Se han estudiado las acumulaciones de metales que en solución tienen como especies dominantes complejos cargados eléctricamente. Si esta carga es negativa, la acumulación disminuye al bajar la fuerza iónica y viceversa en el caso contrario. Este fenómeno se explica por la repulsión electrostática entre la carga negativa del disco de resina y el complejo cuando éste es parcialmente lábil. En conclusión, la resina parece jugar un papel más activo de lo que se pensaba en la acumulación de metales en DGT.

The presence of certain metals, either in the form of free metal, forming complexes with ligands or as metal nanoparticles has negative effects on the environment. For this reason, the study of the availability of metals is important in determining its environmental impact. In this work a system and a technique for measuring availability have been studied. The system contains, in dispersion, metal oxide nanoparticles. A first part of the study focuses on the physical and chemical characterization of synthetic dispersions of nanoparticles. This part examines the effect of environmental conditions (pH, salinity, organic matter content, etc.) in the behavior of nanoparticles. Processes such as aggregation, solubilisation and sedimentation, are determined depending on environmental conditions. All these processes play an important role in the fate of nanoparticles in the environment and their toxicity. The second part of this thesis focuses on the application of the analytical technique DGT (Diffusive Gradient in Thin films) for measuring the flow of available metals in aqueous solutions. In the present study, the solubility of nanoparticles in aqueous dispersions has been determined. Moreover the DGT technique has been studied from a physical-chemical point of view. The contribution of the flux of complexes has been evaluated with a parameter, the lability degree, which takes into account the dissociation constants of the complexes and their diffusion. The accumulations of metals which in solution are present as dominant metal complexes electrically charged have been studied. If the charge is negative, the accumulation decreases with the decrease of the ionic strength and vice versa in the opposite case. This phenomenon is explained by the electrostatic repulsion between the negatively charged resin disk and the complex when it is partially labile. In conclusion, the resin seems to play a more active role than previously thought in the accumulation of metals in DGT.