Fotocatálise heterogênea com o filme compósito de óxido ferro/nanotubo de carbono/TiO2-Ag/quitosana na redução de Cr(VI)

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Marques Neto, J.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Bellato, C.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA)

Resumo

Neste trabalho um novo filme compósito magneticamente recuperável (Fe/MWCNT/TiO2- Ag/QTR) foi preparado misturando-se nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT)/óxido de ferro/TiO2-Ag em quitosana reticulada (QTR). O filme compósito foi avaliado na fotoredução Cr(VI) a Cr(III) utilizando-se uma solução de Cr(VI) (30 mg L-1 e pH 2,0) em um fotoreator sob luz UV-Vis (filtro de corte para λ > 300 nm). A eficiências fotocatalítica foi de 98% de redução de Cr(VI) a Cr(III) em 120 minutos. O filme compósito possibilitou adsorver o Cr(III) fotogerado, com uma capacidade de adsorção de 63,56 mg g-1. O Fe/MWCNT/TiO2-Ag/QTR foi utilizado por 4 ciclos de reutilização, sendo que permaneceu com 92% de eficiência no último ciclo.

Palavras chaves

luz visível; fotorredução; Cr(VI)

Introdução

O processo típico para o tratamento de Cr(VI) de águas residuais é a sua redução ao cromo trivalente (Cr(III)) que é 100 vezes menos tóxico, seguido por precipitação em pH 8-9 (MUSSAVI et al., 2015). A fotocatálise heterogênea com TiO2, destaca-se como alternativa promissora para redução de Cr(VI) a Cr(III) (JIN et al., 2014). O TiO2 quando aplicado na fotocatálise heterogênea apresenta algumas desvantagens, como dificuldade de separação e sendo fotoativado somente com luz UV. A dopagem do TiO2 com metais de transição ou metais nobres melhora o seu desempenho fotocatalítico, permitindo a sua fotoativação com luz visível (LEI et al., 2014). Entre estes metais, a prata tem um menor custo, o que a torna uma boa opção para uso como dopante do TiO2. Além da dopagem do TiO2, o uso das nanopartículas desse semicondutor suportada em materiais poliméricos ou carbonáceos melhora sua separação da solução e permite a reutilização. Os nanotubos de carbono podem ser utilizados como suportes para o TiO2, pois apresentam alta área superficial e resistência mecânica (LUO et al., 2014). A quitosana, como suporte, destaca-se por apresentar uma excelente capacidade de adsorção de espécies catiônicas de Cr(III), devido a presença de grupos amino e hidroxila em sua estrutura (FARZANA et al., 2015). No TiO2 pode-se também incorporar propriedades magnéticas de óxidos de ferro para facilitar sua remoção da solução aquosa por aplicação de um campo magnético (ZHOU et al., 2011). Neste trabalho foi sintetizado o filme compósito Fe/MWCNT/TiO2-Ag/QTR, que teve sua atividade fotocatalítica avaliada na redução de Cr(VI) a Cr(III). No preparo do filme compósito variou-se as razões entre o óxido de ferro, prata e MWCNT, de forma a se obter o melhor desempenho fotocatalítico na presença de luz visível.

Material e métodos

Foram depositadas nanopartículas de prata (Ag NPs) na superfície do TiO2 comercial Degussa P25 formando o TiO2-Ag de acordo com o método de fotorredução com irradiação UV-Vis (DEVI et al., 2011). As amostras contendo 20 mg de TiO2- Ag-X (onde X = % (m/m) de Ag) foram misturadas com 10 mg de MWCNT em 100 mL de água, onde permaneceu sob agitação por 6 horas (LIN et al., 2009; ZHOU et al., 2013). A mistura foi filtrada, lavada com água destilada e o sólido obtido (MWCNT/TiO2-Ag-X) foi seco em estufa a 70 °C. À 500 mL de água foi adicionado 1 g de MWCNT/TiO2-Ag-X e óxido de ferro sendo mantido sob agitação por 2 horas, em seguida foi filtrado e seco à 70 °C, formando o Z-Fe/MWCNT/TiO2-Ag-9 (onde Z = % (m/m) de óxido de ferro). O 10-Fe/MWCNT/TiO2-Ag-15 foi adicionado em um gel de quitosana (4% (m/m) em ácido acético 5% (v/v)) na proporção de 1% (m/v) sob agitação por 1 hora. A mistura foi vertida em placa de petri e mantido em repouso até a evaporação do solvente e formação do filme compósito 10- Fe/MWCNT/TiO2-Ag-15/QTR-1. A espectroscopia de Reflectânia Difusa foi utilizada para determinar o espectro de absorção UV-vis do filme compósito. A eficiência do catalisador foi avaliada na fotorredução de uma solução de Cr(VI) 30 mg L-1 em um fotorreator anular de 300 mL, equipado com uma lâmpada de vapor de Hg de 125 W envolvida por um cilindro de vidro (filtro de corte para λ > 300 nm). O fotorreator foi equipado com um sistema de recirculação de água, mantendo a temperatura em 30 °C.

Resultado e discussão

A Fig. 1 mostra os espectros de absorção UV-vis e o cálculo da energia de band gap dos catalisadores. Na Fig. 1a pode-se observar que o 10-Fe/MWCNT/TiO2-Ag- 15/QTR-1 foi o que apresentou a maior absorção na região do visível (λ > 380 nm). Através da função Kubelka-Munk, F(R) = (1-R)2/2R calculou-se a energia (Fig. 1b) por extrapolação da linha obtida na regressão da porção linear de [F(R)hʋ]n (n = 1/2 para o gap indireto) vs. energia (hʋ). O TiO2 puro apresentou um band gap de 3,05 eV e o catalisador 10-Fe/MWCNT/TiO2-Ag-15/QTR-1 2,40 eV, assim obteve-se uma redução considerável no valor da energia. A Fig. 2a mostra que o 10-Fe/MWCNT/TiO2-Ag-15/QTR-1,0 foi mais eficiente na redução de Cr(VI) quando comparado ao TiO2, não sendo observado efeito da fotólise na redução. Uma solução de Cr(VI) 30 mg L-1 em pH 2,0 teve uma redução 98% em 120 minutos à Cr(III), que foi adsorvido no filme compósito. O Cr(III) adsorvido foi retirado do filme compósito com uma solução de ácido cítrico 1 mol L-1, sendo posteriormente analisado por ICP-MS. A determinação do Cr(III) retido no filme, possibilitou o cálculo da quantidade adsorvida (mg g-1). Na Fig. 2b observa-se as isotermas de Langmuir e Freundlich aplicadas aos dados de adsorção. O modelo de Langmuir apresentou o melhor ajuste com R2 > 0,99, indicando uma adsorção homogênea, ou seja, em monocamada. O valor da capacidade máxima de adsorção (Qmáx) de Cr(III) pelo 10-Fe/MWCNT/TiO2-Ag-15/QTR-1,0 foi de 63,56 mg g-1 à 30 °C. A eficiência do filme compósito manteve-se estável até 4 ciclos de reutilização, variando de 98% no primeiro ciclo à 92% no quarto ciclo utilizando solução dessorvedora de ácido cítrico 1 mol L-1.

(a) Espectro de absorção UV-vis, (b) Valores de band gap.


(a) Cinética de fotorredução de Cr(VI) (b) Isotermas de adsorção de Cr(III).

Conclusões

O novo filme compósito 10-Fe/MWCNT/TiO2-Ag-15/QTR-1 recuperável magneticamente mostrou-se eficiente na fotorredução do Cr(VI), possibilitando reduzir 98% de uma solução de 30 mg L-1 de Cr(VI) a Cr(III) (pH = 2) em 120 minutos. O filme compósito apresentou capacidade de adsorção máxima de Cr(III), estimada pelo modelo de isoterma de Langmuir, de 63,56 mg g-1. O 10-Fe/MWCNT/TiO2-Ag-15/QTR-1 apresentou boa estabilidade, podendo ser aplicado por pelo menos 4 ciclos de reutilização, mostrando-se promissor para aplicações práticas.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPEMIG (Demanda Universal, processo No. APQ 00445-14), CNPq e CAPES.

Referências

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