Síntesis y caracterización de nanopartículas de carboximetil quitosano extraído de residuo de camarón para su uso en tratamiento de contaminantes en aguas : un enfoque circular sostenible

Abstract

En la presente investigación se desarrolló un proceso para la síntesis de nanopartículas magnéticas de carboximetilquitosano, partiendo de quitosano extraído de cáscaras de camarón de la especie Litopenaeus vannamei. El objetivo fue determinar el comportamiento fisicoquímico por medio de una caracterización instrumental exhaustiva de estas nanopartículas sintetizadas y evaluar su potencial como agentes adsorbentes para la descontaminación de aguas a partir de su estructura y modo de acción, sin llevar a cabo pruebas experimentales con los contaminantes respectivos. La metodología incluyó la extracción de quitosano de las cáscaras por medio de una técnica asistida por microondas basada en el proceso desarrollado por Contreras (2022), seguida de una caracterización espectroscópica por infrarrojo que reveló la necesidad de modificar el procedimiento de desacetilación para la obtención de quitosano. Tras la modificación a un tratamiento térmico, basado en los estudios de Novikov et al. (2023), se obtuvo la conversión exitosa a quitosano de alto grado de desacetilación. Posteriormente, se llevó a cabo la carboximetilación del quitosano obtenido, obteniendo por primera vez carboximetilquitosano del tipo N,O-carboximetilquitosano de camarón de la especie de interés en este estudio, el cual fue utilizado para la síntesis de nanopartículas en combinación con magnetita (S–CMCNa@Fe3O4) por medio del método de coprecipitación brindado por Cuadra (2019). Se evaluaron tres formulaciones distintas de producción en cuanto a morfología y tamaño de partícula obtenido por cada una, utilizando microscopía electrónica de transmisión, lo cual permitió identificar la formulación más homogénea y estable. La formulación número 2 fue la seleccionada, mostrando la obtención de nanopartículas con morfología esférica y tamaño promedio de 12.39 nm, adecuadas para su caracterización según Akinsipo et al (2016). Las nanopartículas de la formulación seleccionada se caracterizaron adicionalmente mediante espectroscopía de infrarrojo, espectroscopía de fotoelectrones XPS, difracción de rayos X, y análisis SQUID de magnetización, confirmando la formación de un nanocompuesto tipo core-shell de recubrimiento de carboximetilquitosano funcionalizado con magnetita, que cuenta con diversos sitios de enlaces en su estructura, principalmente enlaces del tipo -NH, -OH y C=O, con comportamiento paramagnético y estabilidad térmica alta, que destacan su potencial para actuar como un adsorbente de diversos contaminantes en entornos acuáticos. Los hallazgos obtenidos por medio de esta caracterización demuestran que es factible producir nanocompuestos a partir de residuos de camarón, aportando valor a estos desechos y contribuyendo a un ciclo de producción sostenible. Este estudio concluye que las nanopartículas magnéticas de carboximetilquitosano desarrolladas pueden representar una buena alternativa poco invasiva de adsorción de contaminantes, y se puede deducir que cuentan con alto potencial para la limpieza de estos en aguas, principalmente útiles como adsorbentes para contaminantes catiónicos, como metales pesados y tintes orgánicos de este tipo, posicionando a estos nanocompuestos como un material prometedor en el campo de la remediación ambiental.

In the present study, a process for the synthesis of magnetic carboxymethyl chitosan nanoparticles was developed, using as a starting material chitosan extracted from shrimp shells, from the species Litopenaeus vannamei. The physiochemical behavior of these nanoparticles was determined, through an exhaustive instrumental characterization, to evaluate their potential as novel adsorbents for water decontamination, based in their structure and mode of action, without carrying out experimental tests with the respective contaminants. The methodology used in the process included the extraction of chitosan from the shells using a microwave-assisted technique based on the process developed by Contreras (2022), followed by infrared spectroscopy characterization, which showed the need to modify the procedure from the deacetylation step to obtain chitosan. The process was modified following the studies of Novikov, et al. (2023) and successful conversion to chitosan with a high degree of deacetylation was achieved. By the carboxymethylation of the obtained chitosan, N,O-carboxymethyl chitosan was obtained from the shells of the species from the study, being the first time to be reported in literature. This material was used for the synthesis of nanoparticles combined with magnetite (S–CMCNa@Fe3O4), through a coprecipitation method explained by Cuadra (2019). Three different formulations were evaluated, according to their morphology and particle size, using transmission electron microscopy, to identify the most stable and homogeneous formulation. From this, formulation #2 was selected from which nanoparticles of spherical morphology with an average size of 12.39 nm were obtained, suitable for characterization according to Akinsipo et al. (2016). The nanoparticles obtained were further characterized by infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction and SQUID magnetization; this confirmed the formation of a core-shell type nanocomposite consisting of a carboxymethyl chitosan coating, functionalized with magnetite. It presents multiple binding sites within its structure, mainly -NH, -OH, and C=O functional groups, exhibits paramagnetic behavior and has high thermal stability, highlighting its potential to act as an adsorbent for various types of contaminants in aquatic environments. These findings demonstrate that it’s feasible to produce functionalized nanocomposites from shrimp waste and use them in bioremediation, adding value to the residues and contributing to a sustainable production cycle. This study concludes that the developed magnetic carboxymethyl chitosan nanoparticles can represent a good, minimally invasive alternative for contaminant adsorption, and by their structure elucidation it can be inferred that they can have high potential to work in water purification efforts. They are particularly useful as adsorbents for cationic contaminants, such as heavy metals and certain types of organic dyes, positioning these composites as a promising material in the field of environmental remediation.