Fotocatálise heterogênea com o compósito hidrotalcita/TiO2 na degradação do corante azul de metileno

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Miranda, L.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Bellato, C.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; de Souza, C.H.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA)

Resumo

Catalisadores hidrotalcita/TiO2 (HT/TiO2) e hidrotalcita/TiO2 calcinado (HTC/TiO2) foram preparados e utilizados na fotodegradação do corante azul de metileno, AM. O desempenho fotocatalítico foi analisado sob irradiação UV-Visível (filtro λ>300 nm). Várias amostras de catalisadores foram preparadas com diferentes teores de titânio. Os catalisadores mais eficientes foram obtidos com a quantidades molar de TiO2 de 2 mol em relação ao Ti para ambos os catalisadores HT/TiO2 e HTC/TiO2. Os catalisadores HT/2TiO2 e HTC/2TiO2 apresentaram remoção de 75% e ~100% do AM, em um tempo de 120 min, respectivamente. Os catalisadores preparados foram caracterizados por Difração de Raio-X e Infravermelho.

Palavras chaves

Hidróxido Duplo Lamelar; azul de metileno; fotodegradação

Introdução

Nas últimas décadas, o aumento populacional e consequentemente aumento das atividades industriais vêm contribuindo para o agravamento dos problemas ambientais, principalmente com respeito à preservação das águas superficiais e subterrâneas (HUANG, L., et al 2013) Dentre os poluentes orgânicos de águas residuárias destaca-se os corantes sintéticos, por serem amplamente utilizados em diversas indústrias, tais como têxtil, alimento, couro, papel e plástico. Entre os diversos métodos empregados para a degradação de corantes a fotocatálise heterogênea tem se destacado. Hidróxidos Duplos Lamelares (HDLs) são argilas aniônicas sintéticas, sendo a Hidrotalcita (HT), a classe mais famosa desses compostos (MIRANDA et al., 2015). Quando um tratamento térmico é aplicado (calcinação), a HT é convertida em óxidos mistos. Estes materiais apresentam o chamado "efeito de memória", que é a reconstrução da estrutura lamelar quando o seu derivado calcinado é colocado em contato com uma solução aquosa. Os óxidos mistos obtidos pela calcinação da HT vêm sendo utilizados como catalisadores ou suportes de catalisadores (de ALMEIDA et al., 2016). O TiO2 é um dos materiais semicondutores mais apropriado para ser utilizado como um fotocatalisador, porém é difícil de ser recuperado da solução aquosa, por ser um pó muito fino (nano-partícula) (MIRANDA et al., 2015). Desta forma, HTs e HT-calcinadas podem ser considerados uma alternativa promissora como dispersores e suportes para as nanopartículas de TiO2. Portanto, o objetivo deste trabalho foi preparar e avaliar o desempenho dos fotocatalisadores HT/TiO2 (não calcinado) e HTC/TiO2 (calcinado diferentes quantidades molar de TiO 2 (0,5; 1; 1,5; 2 e 3 mol em relação ao Ti) na fotodegradação do AM

Material e métodos

Nitratos, de alumínio e magnésio, hidróxido de sódio, carbonato de sódio e dióxido de titânio foram adquiridos da Sigma-Aldrich. O corante AM foi adquirido da Vetec. Os catalisadores não calcinados foram preparados fixando a razão molar metais, Al/(Al + Mg), igual a 0,25 e variando a quantidade molar de TiO 2 de 0,5; 1; 1,5; 2 e 3 mol em relação ao Ti. Adicionou 100 mL de solução de nitrato de magnésio e nitrato de alumínio em uma solução de 100 mL de NaOH (0,1805 mol), carbonato de sódio (0,084 mol) e TiO2 (0,5; 1; 1,5; 2 e 3 mol) em relação ao Ti. O sistema foi mantido em agitação por 24 h. Os catalisadores foram tratados a 80 °C durante 24 h e os precipitados lavados e secos a 60 °C. Os catalisadores foram rotulados como HT/0,5TiO2; HT/1TiO2; HT/1,5TiO2; HT/2TiO2 e HT/3TiO2. Parte dos catalisadores preparados de HT/TiO2 foram calcinados em forno mufla a 500 °C por 4 h e rotulados como HTC/0,5TiO2; HTC/1TiO2; HTC/1,5TiO2; HTC/2TiO2 e HTC/3TiO2. Os catalisadores preparados foram caracterizados por Difração de Raio-X e Infravermelho. Os experimentos foram realizados utilizando um reator fotoquímico anular, composto por uma lâmpada a vapor de mercúrio de 125 W (sem o bulbo protetor) e envolvida por um cilindro de vidro (λ>300nm). Os catalisadores foram avaliados na fotodegradação de 300 mL de solução de AM 24 mg L-1, na presença de 90 mg do catalisador, sendo inicialmente mantido sob agitação por 30 min para atingir o equilíbrio de adsorção e 90 min sob irradiação. Em intervalos de tempos de 10 mim foram retiradas alíquotas de 3 mL da solução do AM e analisada por espectrofometria UV-Vis em 665 nm

Resultado e discussão

Em relação ao efeito da quantidade de TiO2 incorporado a HT na degradação fotocatalítica do AM observou-se que os catalisadores que apresentaram maior eficiência foram o de 2 mol de Ti, HT/2TiO2 (figura 1A) e HTC/2TiO2 (figura 1B). A melhor eficiência do HT/2TiO2 se deve a maior quantidade de TiO2 incorporado na HT e, conseqüentemente, é gerado mais pares elétrons/lacunas, o que proporciona a um aumento na geração de radicais hidroxila (•OH), aumentando a taxa de fotodegradação. No entanto, uma maior quantidade de TiO2 disperso na HT pode bloquear a passagem de luz e diminuir a eficiência fotocatalítica. Observa-se pela Figura 2A que HTC/2TiO2 apresentou maior fotoatividade na fotodegradação do AM (∼100 %) ao se comparar com o HT/2TiO2 (75 %), devido a maior capacidade de adsorção para o AM (41,34 mg.g-1 durante os 30 min iniciais, figura 2B). Os grupos hidroxila da HT são considerados mais eficazes em atacar o AM adsorvido sobre a superfície dos catalisadores, devido à aproximidade entre •OH e o AM adsorvido. Portanto, a adsorção contribuiu para elevar a percentagem de degradação do AM pelo catalisador HTC/2TiO2 ao compararmos ao o HT/2TiO2. Na fotólise direta, ou seja, sem presença do catalisador, tem uma eficiência de apenas 13 % na remoção do AM. Isto indica um ganho de cerca de 87 % na remoção do AM pela presença do catalisador HTC/2TiO2. Embora o TiO2 tenha uma eficiência fotocatalítica muito próxima ao HTC/2TiO2 na remoção do AM, o seu emprego e reuso torna limitado por ser um pó muito fino dificultando a sua separação e reuso. A separação do catalisador HTC/2TiO2 da solução aquosa é feita por um processo de decantação.

Atividade fotocatalítica dos catalisadores de HT: (A) com diferentes quantidades de TiO2 e (B) calcinada e com diferentes quantidades de TiO2.


(A) Comparação da atividade fotocatalítica dos catalisadores na remoção do AM e (B) Capacidade de adsorção dos catalisadores no escuro durante 30 min.

Conclusões

Os catalisadores mais eficientes na remoção do AM foram obtidos com a quantidades molar de TiO2 de 2 mol em relação ao Ti. O HTC/2TiO2 apresentou maior percentagem de fotodegradação do AM ao comparamos ao HT/2TiO2 devido a sua elevada capacidade de adsorção, o que auxiliou no seu desempenho fotocatalítico. Embora o TiO2 tenha uma eficiência fotocatalítica na remoção do AM, o seu emprego e reuso torna limitado por ser um pó muito fino dificultando a sua separação e reuso. Portanto, o HTC/2TiO2 se mostrou viável quando comparado ao TiO2 para ser utilizado em processos de fotocatalíse hete

Agradecimentos

A UFV, FAPEMIG, CNPq e CAPES.

Referências

HUANG, L.; CHU, S.; WANG, J.; KONG, F.; LUO, L.; WANG, Y.AND ZOU, Z. Novel visible light driven Mg–Zn–In ternary layered materials for photocatalytic degradation of methylene blue. Catalysis Today, 212 (2013) 81–88.

MIRANDA, L. D. L.; BELLATO, C. R.; MILAGRES, J. L; MOURA, L. G.; MOUNTEER, A. H.; DE ALMEIDA, M. F. Hydrotalcite-TiO2 magnetic iron oxide intercalated with the anionic surfactant dodecylsulfate in the photocatalytic degradation of methylene blue dye, J. Environ. Manage. 156 (2015) 225–235.

DE ALMEIDA, M. F.; BELLATO, C. R.; MIRANDA, L. D. L. Preparation of calcined hydrotalcite/TiO2-Ag composite and enhanced photocatalytic properties. Ceramics International 43 (2017) 1843–1852