Caracterização Térmica, Espectroscópica e Estrutural da Vagem in Natura (Clitoria fairchildiana) como Possível Biossorvente

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Takeno, M.L. (IFAM - CMDI) ; Maia, P.J.S. (UFAM - ICET) ; Freitas, F.A. (IFAM - CMDI) ; Manzato, L. (IFAM - CMDI)

Resumo

A crescente poluição dos recursos hídricos e a escassez de água potável tem despertado o interesse de pesquisadores na área de biossorventes. Materiais lignocelulósicos têm sido referidos como bons biossorventes, pois são baratos e podem ter suas propriedades alteradas facilmente para melhor sorção. Portanto é de fundamental importância o conhecimento prévio do tipo de celulose e outros componentes encontrados na vagem (Clitoria fairchildiana). Os resultados de FTIR, Difração de raios-X e análise termogravimétrica mostram que a vagem é um material lignocelulósico com grande potencial de aplicabilidade como biossorvente composto principalmente de celulose do tipo Iβ, hemicelulose e lignina.

Palavras chaves

biomassa; vagem; biossorvente

Introdução

Nas últimas décadas, o aumento da população e o crescimento das grandes indústrias em todo o mundo levaram à liberação de vários poluentes no ambiente aquático, alguns dos poluentes mais encontrados são metais pesados, corantes, compostos orgânicos como fenóis, pesticidas, fármacos, detergentes entre outros (ABDOLALI et al, 2014). Resíduos vegetais gerados em grande escala pela agroindústria são considerados um dos mais abundantes e baratos recursos renováveis. Recentemente, os métodos de adsorção utilizando biossorventes têm sido amplamente notados devido ao seu baixo custo. O desenvolvimento de biossorventes a partir de biomassa vegetal para o tratamento de águas residuais tem sido estudado devido sua capacidade de sorção relativa para poluentes orgânicos persistentes e facilidade de modificação de sua estrutura para sorção (XI et al, 2014). Vários materiais lignocelulósicos foram estudados para aplicações em biossorventes entre eles estão a casca de banana, a casca de laranja, madeira de zimbro, casca de arroz, entre outros (RANGABHASHIYAM et al, 2016). A grande eficiência de remoção de metais pesados de efluentes com vários biomateriais diferentes relatadas pela literatura tem incentivado a pesquisa por biossorvente de baixo custo e facilmente acessíveis, que podem ser utilizados em larga escala diferente dos caros biossorventes convencionais (BASSO et al, 2002). Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo a caracterização do tipo de celulose encontrada na vagem in natura por meio da técnica de Difração de raios-X, Espectroscopia na região do Infravermelho e análise termogravimétrica.

Material e métodos

A vagem (Clitoria fairchildiana) foi coletada na cidade de Manaus-AM coordenadas: (-3.1111202,-59.9856193), após a coleta as mesmas foram lavadas para retirada de impurezas, depois secas em estufa com circulação de ar em uma temperatura de 50°C. Para identificação do tipo de celulose, foi feito a deconvolução dos picos utilizando o programa TOPAS v4.2 (Bruker AXS) software. Os perfis dos picos foram fitados utilizando a função de parâmetro fundamental descrito por (Cheary et al, 2007). Após a deconvolução dos picos, obteve-se a posição 2θ dos picos, e então foi possível calcular os valores de d-spacings a partir da equação de Bragg. A análise discriminante desenvolvida por Wada et al, (2001) foi utilizada para identificar o tipo de celulose, Iα ou Iβ. A vagem in natura foi caracterizadas por espectroscopia de infravermelho (IR) em um espectrofotômetro Shimadzu IRAffinity-1S. Os espectros de IR foram registrados na região de 4000 a 800 cm-1. A análise termogravimétrica e sua derivada foi feita em um analisador térmico simultâneo TG/DTG, TA Instrument, SDT Q600, atmosfera de nitrogênio 5.0, razão de aquecimento de 10 °C min-1, aproximadamente 10 mg de amostra até 800 °C.

Resultado e discussão

A Figura 1a mostra o XRD da vagem in natura, pode-se observar que a mesma apresenta um perfil de difração de celulose nativa (CHEARY et al, 2007), o que está em consonância com a análise de FTIR (Figura 1c) que apresenta uma banda em 1430 cm-1 característica da celulose tipo 1 e com o DTG (Figura 1d) que apresenta um pico em 322.6°C referente a degradação da celulose. Ainda na Figura 1a observa-se 4 picos cristalinos, o índice de cristalinidade (Cr.I) (SEGAL et al, 1959) calculado foi de ≈ 45,2%. Além da celulose possuir áreas amorfas a lignina e a hemicelulose também são amorfas, contribuindo para redução da cristalinidade da vagem in natura. Para estudar o tipo de celulose foi feito a deconvolução dos picos mostrados na Figura 1b. A Tabela 1 mostra os valores de d1, d2, Z e dos parâmetros de confiabilidade Sig e Rwp. O valor de Z foi de -52.5 indicando que o tipo de celulose dominante na vagem é a Iβ (WADA et al, 2001), o que era esperado, já que a maioria das plantas superiores são compostas majoritariamente da fase Iβ. A Figura 1c mostra as curvas de TGA e DTG da vagem in natura, pode- se observar que existem três estágios distintos de perda de peso. O primeiro estágio de perda de peso ocorre no intervalo de temperatura de 25 a 179.4°C e é de aproximadamente 10.8%, essa perda está relacionada à evaporação da água adsorvida. O segundo estágio de perda de massa é referente à degradação da hemicelulose e celulose, neste estágio ocorreu a maior perda de massa ≈ 51.9%. Os picos de DTG situados em 215.4 e 300.1°C são referentes à decomposição da hemicelulose que ocorre em 2 etapas (DHYANI et al, 2017). O estágio final da decomposição ocorreu na faixa de temperatura de 384 a 560°C, representando a perda de peso restante (aproximadamente 35.7% em pes

Distância interplanar d1 e d2, número discriminante Z e parâmetros de confiabilidade Sig e Rwp.


(a) Difratograma da vagem in natura, (b) deconvolução dos picos de difração, (c) FTIR e (d) TGA/DTA.

Conclusões

Foi observado através das técnicas de DRX, FTIR e TGA que a vagem in natura é composta principalmente de celulose do tipo Iβ, a cristalinidade calculada da celulose foi de 45,2%. A análise de TGA mostrou que a vagem in natura é estável até 150°C e pode ser utilizada como biossorvente até essa temperatura. Estes resultados indicam que a vagem in natura tem potencial para ser utilizada como biossorvente.

Agradecimentos

Os autores agradecem o suporte financeiro das agências Brasileiras CNPq, CAPES e FAPEAM, ao Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais - IFAM CMDI.

Referências

ABDOLALI, Atefeh et al. Typical lignocellulosic wastes and by-products for biosorption process in water and wastewater treatment: a critical review. Bioresource technology, v. 160, p. 57-66, 2014.
BASSO, M. C.; CERRELLA, E. G.; CUKIERMAN, A. L. Lignocellulosic materials as potential biosorbents of trace toxic metals from wastewater. Industrial & Engineering Chemistry Research, v. 41, n. 15, p. 3580-3585, 2002.
DHYANI, Vaibhav; BHASKAR, Thallada. A comprehensive review on the pyrolysis of lignocellulosic biomass. Renewable Energy, 2017.
Cheary, R. W.; A. A. Coelho, and J. P. Cline, “Fundamental Parameters Line Profile Fitting in Laboratory Diffractometers,” vol. 109, no. 1, pp. 1–25, 2007.
Rangabhashiyam S; Balasubramanian P.Lignocellulosic biosorbents for the removal of hexavalent chromium from aqueous solutions: A review. Journal of Environment and Biotechnology Research, Vol. 5, No. 1, Pages 39-46, 2016.
SEGAL, L.G.J.M.A et al. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile Research Journal, v. 29, n. 10, p. 786-794, 1959.
WADA, Masahisa; OKANO, Takeshi; SUGIYAMA, Junji. Allomorphs of native crystalline cellulose I evaluated by two equatoriald-spacings. Journal of Wood Science, v. 47, n. 2, p. 124-128, 2001.
XI, Zemin; CHEN, Baoliang. Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons from aqueous solution by raw and modified plant residue materials as biosorbents. Journal of environmental sciences, v. 26, n. 4, p. 737-748, 2014.