1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la transición hacia un modelo de economía circular ha posicionado la gestión de subproductos agrícolas como uno de los mayores desafíos ambientales de la industria actual [1]. Entre estos subproductos, la cascarilla de arroz destaca como un residuo orgánico generado en volúmenes críticos en la industria arrocera; dada su generación masiva, su disposición final sin un propósito de valor añadido, genera un impacto ambiental considerable, por ende, es fundamental desarrollar alternativas de aprovechamiento que minimicen su huella ecológica y aprovechen su potencial químico [2] [3] [4].
Desde una perspectiva de ciencia de materiales, la cascarilla de arroz es un material compuesto natural con matriz orgánica e inorgánica. Su estructura orgánica está conformada principalmente por tres polímeros estructurales:
- Celulosa (aprox. 40%): Un polisacárido lineal de alto peso molecular que forma microfibrillas con regiones cristalinas y amorfas, proporcionando la base estructural del material.
- Hemicelulosa: Un polisacárido ramificado que actúa como agente de conexión entre las fibras de celulosa y la lignina.
- Lignina (aprox. 30%): Un biopolímero aromático que aporta rigidez, impermeabilidad y protección contra ataques químicos o biológicos. [3]
Además de su matriz orgánica, la cáscara de arroz posee un componente inorgánico distintivo: el dióxido de silicio (SiO₂), que representa hasta un 20% de su peso seco. Esta sílice se encuentra predominantemente en estado amorfo, lo que le otorga una reactividad química superior en comparación con formas cristalinas como el cuarzo. Estructuralmente, se organiza en una red tridimensional desordenada y porosa, actuando como un esqueleto que brinda dureza a la fibra [3] [5].
El presente escrito tiene como objetivo analizar algunos de los resultados obtenidos al caracterizar morfológicamente un nanocompuesto sostenible, constituido por una matriz de celulosa natural y nanopartículas de SiO2 obtenidas a partir de la cascarilla de arroz. Este nanocompuesto posteriormente será utilizado como material adsorbente en la recuperación de iones litio (Li+) provenientes de baterías agotadas. En consecuencia, para garantizar la eficiencia funcional de este material adsorbente, es imperativo analizar su morfología y organización estructural en la escala nanométrica (1-100 nm).
La Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) proporciona imágenes de ultralta resolución esenciales para investigar la topografía del material. Complementariamente, la composición elemental de las nanopartículas sintetizadas se determinó mediante Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS), análisis que permitió validar cualitativa y cuantitativamente la presencia de silicio y oxígeno, y observar si hay presencia de impurezas residuales provenientes del proceso de síntesis.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Síntesis de las nanopartículas de SiO2
Con respecto a el proceso de síntesis de las nanopartículas de sílice, este se estructuró en cuatro etapas principales:
1) Pretratamiento de limpieza con hipoclorito de sodio (NaClO)
2) Lixiviación ácida
3) Síntesis térmica
4) Molienda.
En la etapa 1, las cascarillas de arroz fueron desinfectadas e inmersas en NaClO para el blanqueo y purificación química. Posteriormente, en la etapa 2, se sometieron a una lixiviación ácida utilizando una solución de ácido fosfórico (H₃PO₄) al 1% con el objetivo de eliminar impurezas metálicas, para la obtención de sílice pura. En la etapa 3, el material se calcinó a 680 °C durante 8 horas, lo que permitió la eliminación total de la fracción orgánica y resultó en una ceniza de alta pureza, para alcanzar la escala nanométrica. Finalmente, en la etapa 4, el material calcinado se procesó en un molino de bolas por 24 horas.
2.2. Preparación de la matriz de celulosa
La matriz de celulosa se obtuvo a partir de cascarilla de arroz mediante un proceso de fraccionamiento químico-mecánico secuencial. Inicialmente, la materia prima se sometió a una reducción de tamaño por trituración, seguida de un tratamiento de lixiviación ácida para la eliminación de impurezas inorgánicas. Posteriormente, se realizó una digestión alcalina con hidróxido de sodio (NaOH) para la solubilización de la fracción de lignina y hemicelulosa, culminando con una etapa de blanqueo oxidativo mediante hipoclorito de sodio (NaClO) para su purificación final. El material resultante fue procesado en un molino de alta energía para optimizar su morfología y facilitar su posterior integración en el nanocompuesto.
Para la disolución de la celulosa purificada, se empleó un sistema solvente de NaOH/Urea/H2O en una relación másica especifica, bajo el siguiente protocolo experimental [6]:
- Preparación del sistema solvente: Se disolvieron 7 g de NaOH y 12 g de urea en 81 g de agua destilada bajo agitación constante hasta alcanzar la completa homogeneización.
- Acondicionamiento térmico: La mezcla se sometió a un baño termostatado hasta alcanzar un rango de temperatura crítico entre -10 °C y -15 °C. Este descenso térmico es fundamental para desestabilizar la red de puentes de hidrógeno intermoleculares de la celulosa, permitiendo la penetración del solvente.
- Solubilización de la matriz: Se incorporaron aproximadamente 2 g de celulosa al sistema pre-enfriado bajo agitación mecánica vigorosa, manteniendo las condiciones criogénicas hasta lograr una dispersión translúcida y la completa solubilización de la matriz polimérica.
2.3. Desarrollo del nanocompuesto de nanopartículas de SiO2 soportado en matriz de celulosa
Para la obtención del nanocompuesto se incorporó un 1% de nanopartículas de SiO2 en relación de volumen, aprovechando su elevada área superficial y dimensiones nanométricas, lo cual optimiza los procesos de consorcio.
De acuerdo con la literatura técnica [3], la matriz de celulosa regenerada mediante el sistema NaOH/Urea presenta una red microporosa altamente organizada; la incorporación de nanoestructuras en bajas concentraciones busca potenciar esta morfología sin obstruirla, permitiendo que las nanopartículas se alojen en las paredes de los poros de la celulosa sin colapsar los canales de difusión, garantizando que el fluido (adsorbato) pueda penetrar profundamente en el material, haciendo contacto con los centros de adsorción distribuidos uniformemente.
2.4. Caracterización morfológica
Para la caracterización morfológica superficial y la determinación de la forma de las nanopartículas, se empleó Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). La preparación de la muestra de nanopartículas de SiO2 se llevó a cabo mediante su dispersión en una suspensión por vía húmeda utilizando etanol como medio; posteriormente fueron sometidas a un baño de ultrasonido durante 5 minutos con el objetivo de minimizar la aglomeración y asegurar una distribución homogénea de las partículas sobre el soporte. En el caso de la matriz celulosa y el nanocompuesto (SiO2/Celulosa) solo se tomó una pequeña parte de ambas muestras para su observación en el microscopio.
La capacidad del equipo empleado para obtener imágenes de alta resolución mediante el ajuste de diferentes voltajes de aceleración (3 kv, 5kv 15 kv) fue fundamental para optimizar la visualización de la textura superficial. Asimismo, este gradiente de voltajes permitió estabilizar la generación de señales para el microanálisis químico elemental mediante espectroscopía de energía dispersiva de rayos X (EDS), garantizando una caracterización integral de la muestra.
3. ANÁLISIS MEDIANTE MEB
El análisis MEB permitió identificar la morfología y característica superficial de las nanopartículas de SiO2, estructura de la celulosa al solidificar y la formación del nanocompuesto. Las fotomicrografías obtenidas (Fig. 1-6) revelan la estructura del material adsorbente en diferentes escalas (950x, 3000x, 9500x, 20000x); con un aumento de 950X se observa la morfología general de las muestras, y al aplicar mayores aumentos, específicamente 20000X, se logra distinguir la población de las nanopartículas de menor tamaño.
3.1 Morfología de las nanopartículas de SiO2
En la Figura1 se muestra la fotomicrografía capturada específicamente en modo de electrones retrodispersados (BSE, por sus siglas en inglés, indicado por «Det BSED-COMP») con un aumento de 9500x de magnificación para mayor campo de visión. Se observan numerosas nanopartículas de forma predominantemente esférica o subesférica, y exhiben un contraste mucho más alto (brillante o gris muy claro).
Figura 1: Fotomicrografía de nanopartículas de SiO2 , magnificación de 9500x
Por su parte, en la Fig. 2 se presenta la fotomicrografía capturada específicamente en modo de electrones retrodispersados, tomada a una magnificación de 20000x, en la que se aprecian partículas esféricas bien definidas con un diámetro aproximado de 150 a 250 nm, las de mayor tamaño, y en el fondo se logran apreciar una población de nanopartículas menores a 100 nm.
Figura 2: Fotomicrografía de nanopartículas de SiO2 , magnificación de 20000x
3.2. Morfología de la matriz de celulosa
En las figuras 3 y 4, se presentan las imágenes a 950x y 3000x correspondientes a la matriz de celulosa, en las cuales se revela una organización lamelar (en láminas) o en forma de haces aciculares (agujas) altamente orientadas. La estructura se presenta como un conjunto de capas longitudinales superpuestas, lo que sugiere un alto grado de remoción de los componentes amorfos (lignina y hemicelulosa), dejando expuesta la arquitectura estructural del tejido de la celulosa pura.
La figura 4 revela con mayor detalle la morfología de la celulosa, evidenciándose la presencia de nódulos de solidificación distribuidos a lo largo de las láminas, lo que sugiere un mecanismo de nucleación y crecimiento durante la etapa de regeneración, esta organización estructural es característica de una transición de fase controlada, donde los centros de nucleación globulares evolucionan hasta consolidar la arquitectura lamelar observada.
Figura 3: Fotomicrografía de la arquitectura estructural del tejido de la celulosa pura, 950X
Figura 4: Fotomicrografía de la arquitectura estructural del tejido de la celulosa pura a 3000x
3.3. Morfología del nanocompuesto
En la Figura 5 se muestra la fotomicrografía del nanocompuesto, tomada a 3000x de magnificación, en el modo mixto que proporciona una vista de la interfaz. Se observa que la morfología lamelar de la celulosa actúa como un andamio o soporte para las nanopartículas de SiO2, estando los espacios interlaminares y las superficies de las fibras densamente poblados de estas nanopartículas de SiO2.
Por su parte, la Figura 6 corresponde a la fotomicrografía, tomada a 9500x de magnificación, del nanocompuesto, en el modo mixto. Esta imagen también confirma la integración efectiva de las nanopartículas de SiO2 dentro de la arquitectura de la celulosa, evidenciándose que la porosidad generada durante el proceso de regeneración polimérica actuó como un soporte estructural crítico, permitiendo el anclaje y la estabilización de la fase inorgánica en el interior de la red celulósica.
Figura 5: Fotomicrografía de la estructura interna del nanocompuesto,
matriz de celulosa y refuerzo de nanopartículas SiO2, 3000x
Figura 6: Fotomicrografía de la estructura interna del nanocompuesto,
matriz de celulosa y refuerzo de nanoparticulas SiO2, 9500x
3.4. Análisis composicional mediante EDS
El análisis por Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS) confirmó la composición elemental (Figura 7).de las nanopartículas sintetizadas. Se identificaron el Silicio (Si) y el Oxígeno (O) como los componentes mayoritarios con una concentración promedio de 27,02% y 52,00%, respectivamente.
La presencia de Carbono (19,52%) se atribuye principalmente al método de preparación de la muestra (cinta conductiva). Asimismo, se detectaron trazas de Al y Ca (<1%), las cuales son características de las impurezas minerales remanentes del precursor biogénico utilizado, validando así la obtención de un material nanométrico de base silícea con un alto grado de correspondencia estequiométrica.
Figura 7: Análisis por Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS),
en diferentes zonas de la muestra de nanopartículas de SiO2
4. CONCLUSIONES
- La cascarilla de arroz, como subproducto agroindustrial, constituye una fuente biogénica viable para la obtención de nano-sílice de alta pureza,
- El proceso de calcinación y molienda empleado deriva en nanopartículas con una morfología homogénea y un rango granulométrico que alcanza hasta 11nm.
- El estudio reveló una sinergia excepcional en la interfaz del nanocompuesto, donde la morfología lamelar de la celulosa actúa como un andamio estructural que alberga a las nanopartículas en sus espacios interlamelares y superficies fibrosas. Esta integración efectiva se hace aún más evidente a mayores magnificaciones, donde se observa que la porosidad generada durante la regeneración del polímero funciona como un soporte crítico para el anclaje y la estabilización de la fase inorgánica. En consecuencia, la arquitectura interna de la red celulósica no solo contiene a las nanopartículas, sino que garantiza su dispersión y permanencia, consolidando un material híbrido con un alto potencial para aplicaciones en nanotecnología circular.
5. REFERENCIAS
[1] Tchonkouang, R. D., Onyeaka, H., & Nkoutchou, H. (2024). Evaluación de la vulnerabilidad de las cadenas de suministro de alimentos a las perturbaciones inducidas por el cambio climático. Science of The Total Environment, 920, Article 171047.
[2] Hamada, H. M., Al-Attar, A., Beddu, S., Askar, M. K., Yousif, S. T., & Majdi, A. (2025). Impact of rice husk ash on geopolymer concrete: A literature review and future directions. Journal of Building Engineering, 90.
[3] Klemm, D., Heublein, B., Fink, H. P., & Bohn, A. (2005). Cellulose: Fascinating biopolymer and sustainable raw material. Angewandte Chemie International Edition, 44(22), 3358-3393.
[4] Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J., & Youngblood, J. (2011). Cellulose nanomaterials review: Structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews, 40(7), 3941-3994.
[5] Klemm, D., Heublein, B., Fink, H. P., & Bohn, A. (2006). La cáscara de arroz como fuente de SiO2. En: https://www.redalyc.org/pdf/430/43004102.pdf
[6] International Organization for Standardization. (2015). Nanotechnologies Vocabulary Part 2: Nano-objects (ISO/TS 80004-2:2015). En: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:ts:80004:-2:ed-1:v1:en [7] Cai, J., & Zhang, L. (2005). Rapid dissolution of cellulose in LiOH/urea and NaOH/urea aqueous solutions. Macromolecular Bioscience, 5(6), 539-548.
Clarisa Vargas1
Gabriela Farías1
Génesis González2
Jimmy Castillo2
Miriam Suárez1
Neyla Camacho1
(1) Centro de Tecnología de los Materiales de la FIIIDT
(2) Escuela de Química de la Facultad de Ciencias de la UCV
